發(fā)電機和干式變壓器等電力設備的狀態(tài)監測和故障診斷

針對發(fā)電機和干式變壓器常用的預防性定期維護方式的弊端，分析了發(fā)展狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)的意義，介紹了該技術(shù)在國內外的發(fā)展現狀和存在的問(wèn)題。較后指出，發(fā)電機、干式變壓器等電力設備的狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)能夠快速、連續地反映設備的運行狀態(tài)，指示運行設備的潛在故障，是保證電力設備安全、經(jīng)濟運行的有力措施，應大力推廣。關(guān)鍵詞：發(fā)電機；干式變壓器；狀態(tài)監控；故障診斷

發(fā)電機、變壓器等電力設備的狀態(tài)監測和故障診斷

劉向平1、MENG玉蟾2

(1.廣東電力測試研究所，廣州510600；2.西安熱電研究所，陜西西安710032)

針對發(fā)電機、變壓器等電力設備普遍采用的預防性維修方式的弊端，分析了發(fā)展狀態(tài)監測與故障診斷技術(shù)的意義，介紹了該技術(shù)的現狀和存在的問(wèn)題。結果表明，該技術(shù)能快速、連續地反映設備的運行狀態(tài)，預測設備的潛在故障；因此，它對保證電力設備的安全經(jīng)濟運行是有效的，值得推廣。關(guān)鍵詞Keywords:generator變壓器；狀態(tài)監控；故障診斷

發(fā)電機、干式變壓器等電力設備的狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)越來(lái)越受到重視，越來(lái)越多的單位和部門(mén)已經(jīng)或正在積極應用和發(fā)展這項技術(shù)，并將得到廣泛推廣。在這種情況下，全面、客觀(guān)地了解這項技術(shù)及其目前的技術(shù)狀況，比較和了解這項技術(shù)與目前的預防性維修制度的優(yōu)缺點(diǎn)及其相互關(guān)系，對于正確開(kāi)發(fā)、應用和推廣這項新技術(shù)，更好地保障電力生產(chǎn)的可靠性和安全性，具有一定的意義。

發(fā)展狀態(tài)監測與故障診斷技術(shù)的意義發(fā)電機和干式變壓器被稱(chēng)為發(fā)電和輸電的心臟，其運行可靠性直接影響到工業(yè)電力的正常生產(chǎn)。然而，這些設備不可避免地受到電、熱、機械和環(huán)境等各種因素的影響，性能不斷惡化，導致運行狀態(tài)不佳，甚至出現各種故障，造成局部甚至大面積停電，造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失和社會(huì )影響。據國外報道，電氣設備在服役期內，故障率與運行時(shí)間和方式之間存在宏觀(guān)規律。將設備故障率與使用壽命的關(guān)系繪制成曲線(xiàn)，其形狀為兩邊高中間低，形成一個(gè)浴缸，稱(chēng)為設備故障的“浴缸”曲線(xiàn)，如圖1所示。

從圖1可以看出，在電氣設備的整個(gè)使用壽命期間，設備故障率可分為初始故障率、穩定故障率和退化故障率。對于發(fā)電機、干式變壓器等大型電氣設備，在運行初期，由于各部件磨合不良，制造、安裝、調試過(guò)程中遺留的一些問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)。同時(shí)運維有一個(gè)適應期，所以故障率略高。發(fā)電機試運行168 h后，經(jīng)過(guò)4 ~ 30天至半年，隨著(zhù)暴露問(wèn)題的處理和運行人員對設備性能的逐漸熟悉和掌握，設備故障率將逐漸降低，事故率將進(jìn)入穩定期。這個(gè)周期一般在15到20年左右。在服役后期，由于絕緣老化明顯、泄漏電流增大、絕緣電阻降低、油中溶解氣體成分變化、局部放電增加等原因，故障率會(huì )明顯增加。為了及時(shí)發(fā)現和排除故障，減少和避免事故的發(fā)生，長(cháng)期以來(lái)，電力系統工作者一直在不斷地研究和總結，改變過(guò)去的事故檢修模式，定期實(shí)施各種可行有效的預防性試驗和檢修方法。與事故維修相比，這一制度適應了我國生產(chǎn)力的發(fā)展，發(fā)揮了積極的作用，無(wú)論是思想上還是效果上都有了很大的進(jìn)步。但經(jīng)常被設備運行中的突發(fā)事故打個(gè)措手不及，損失慘重。而且計劃維護在一定程度上具有盲目性和強制性，缺乏針對性和科學(xué)性，往往會(huì )干擾設備的穩定性。由于大多數預防性試驗都是離線(xiàn)進(jìn)行的，因此在試驗過(guò)程中必須停機斷電，造成巨大的經(jīng)濟損失。然而，一些重要設備不能輕易關(guān)閉，導致定期測試無(wú)法按計劃進(jìn)行。即使被檢設備可以停機，由于運行和停機時(shí)設備狀態(tài)的差異，測試結果的準確性也會(huì )受到不同程度的影響。另一方面，對于正常的設備，如果按計劃采取定期檢查維護，會(huì )造成不必要的人力物力的極大浪費。更有甚者，過(guò)度保養可能是檢查保養造成的。

，即造成“維修干擾”。如某廠(chǎng)的1臺300 MW水-氫-氫發(fā)電機，維修前絕緣狀態(tài)良好，維修后，絕緣水平明顯降低。經(jīng)查，是由于進(jìn)行耐壓試驗，使絕緣受到損害。泄漏電流的測試，也可造成絕緣惡化或損傷。又如某局進(jìn)行干式變壓器的例行檢查維修，由于工作人員的疏忽，將工具遺留在干式變壓器內，造成重大事故。同時(shí)，定期檢測和維修，不是連續和實(shí)時(shí)監測，無(wú)法避免設備在兩次試驗間隔期可能發(fā)生的故障。 狀態(tài)監測與故障診斷技術(shù)，采取對潛伏性故障的早期、連續監測，與離線(xiàn)檢測相結合，應用現代分析、電子和計算機等技術(shù)，進(jìn)行綜合分析，預測設備可能發(fā)生的故障，以期做到預知維修和有效維修，將對電力設備的運行起到重要的安全保障作用。

2狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)的發(fā)展 在20世紀60年代至70年代，一些工業(yè)發(fā)達國家即開(kāi)始狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)的研究。因受到當時(shí)工業(yè)技術(shù)水平的限制，加之電力設備潛伏性故障初期發(fā)展速度慢，征兆信號微弱，生產(chǎn)運行環(huán)境中又存在許多電磁干擾，能夠監測的特征量與設備狀態(tài)不完全吻合，可變因素和影響因素太多等原因，使狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)的發(fā)展和應用受到阻礙。到20世紀80年代至90年代，傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和光纖等高新技術(shù)的發(fā)展和應用，使電力設備的狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)得到迅速發(fā)展。加拿大、日本、德國、美國等陸續研制了油中溶解氣體在線(xiàn)監測系統，干式變壓器、發(fā)電機和GIS等的局部放電、泄露電流的在線(xiàn)監測系統，這些技術(shù)得到了國際大電網(wǎng)會(huì )議的系統總結。 近年來(lái)，隨著(zhù)光電技術(shù)的發(fā)展，加拿大、美國等國家相繼研制出不同類(lèi)型的在線(xiàn)監測裝置，更加促進(jìn)了設備的狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)的實(shí)施和有效發(fā)展。 早在20世紀60年代，我國已認識到電氣設備狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)的重要性，在70年代，就進(jìn)行過(guò)一些帶電試驗和在線(xiàn)監測技術(shù)的研究和應用，但由于當時(shí)技術(shù)不完善，測量結果分散性大，加上操作復雜和誤報等原因，使該技術(shù)沒(méi)有得到大力推廣。隨著(zhù)大容量、高電壓等級電氣設備的迅速增加，一些設備的故障率偏高，使狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)的開(kāi)發(fā)更加迫切。為發(fā)展狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)，電力主管部門(mén)多次召開(kāi)全國電力設備絕緣帶電測試和故障診斷技術(shù)研討會(huì )，研究如何發(fā)展和推廣狀態(tài)監測與診斷技術(shù)?？梢哉f(shuō)，我國電氣設備狀態(tài)監測與故障診斷技術(shù)和國際上幾乎處于相同水平。2.1發(fā)電機的狀態(tài)監測和故障診斷 發(fā)電機的狀態(tài)監測和故障診斷目的是在初始階段，檢測出發(fā)電機缺陷，以有計劃地安排檢修，減少停機，避免事故發(fā)生；在服役期延長(cháng)發(fā)電機平均無(wú)故障時(shí)間和縮短平均修理時(shí)間，降低發(fā)電機維修費用，提高可用性。 多年來(lái)，發(fā)電機運行所采用的監視和控制方法，大多用來(lái)進(jìn)行機組運行工況的調整以及非正?；蚴鹿薁顟B(tài)的控制。大型發(fā)電機都有繼電保護系統，從表面上看，繼電保護功能很完善，但是，繼電保護系統只是當被監視參數達到或超過(guò)繼電器設定值時(shí)才起作用，即只有當故障已經(jīng)發(fā)生時(shí)才動(dòng)作，并沒(méi)有預防功能。由于繼電保護與設備診斷技術(shù)功能不同，所以其對潛伏性故障的早期發(fā)現或診斷無(wú)能為力。 目前，國內外發(fā)電機的狀態(tài)監測，主要是通過(guò)發(fā)電機光纖測漏儀（FOVM）、發(fā)電機狀態(tài)監視器（GCM）、發(fā)電機射頻監視儀（RFM）進(jìn)行。在運行中，這些監視系統可以對發(fā)電機內部的故障進(jìn)行監測和報警，引起工作人員重視，指導操作人員適當調整負荷，確定是否停機，預知維修。對氫冷發(fā)電機，國內外也在開(kāi)展研究，利用化學(xué)痕量分析方法檢測氫氣中雜質(zhì)組分從而診斷設備故障。 發(fā)電機狀態(tài)監測與診斷系統需要觀(guān)測和采集運行狀態(tài)下許多電氣、機械和物理化學(xué)的數據與特性，建立正確的數據處理系統，給出運行異常和存在缺陷的信息，根據早期征兆進(jìn)行故障預報，采用計算機故障模糊專(zhuān)家系統進(jìn)行診斷和趨勢分析，并提出檢修方案。 結合我國電力工業(yè)發(fā)展現狀、發(fā)電機制造水平及多年大型發(fā)電機運行多發(fā)性故障的特點(diǎn)，有關(guān)專(zhuān)家認為，在大型汽輪和水輪發(fā)電機組上，可有選擇地采用不同的監測和診斷系統。這些系統包括：定子繞組絕緣監測系統；發(fā)電機內過(guò)熱監測與診斷系統；定子繞組端部振動(dòng)監測系統；轉子繞組匝間短路監測系統；汽輪發(fā)電機組扭振監測與診斷系統；氫冷發(fā)電機氫氣濕度及漏氫監測系統；氣體雜質(zhì)組分監測與診斷系統。 發(fā)電機故障診斷系統擬診斷的故障包括：定子線(xiàn)圈及引出線(xiàn)類(lèi)故障；定子引出線(xiàn)套管類(lèi)故障；定子絕緣類(lèi)故障；定子繞組振動(dòng)類(lèi)故障；定子鐵心類(lèi)故障；轉子繞組類(lèi)故障；轉子絕緣類(lèi)故障；轉子本體及護環(huán)類(lèi)故障；氫系統故障；油系統故障；水系統故障。 發(fā)電機的故障診斷系統，通過(guò)對發(fā)電機運行過(guò)程與狀態(tài)參數分析及檢修、試驗的結果，無(wú)損探傷、電氣絕緣檢查結果的分析，綜合進(jìn)行故障診斷。2.2干式變壓器的狀態(tài)監測和故障診斷 電力工業(yè)主要采用充油式干式變壓器，在特殊場(chǎng)合，也采用干式變壓器或六氟化硫干式變壓器。目前，國內外對于干式變壓器的狀態(tài)監測，多采用局部放電監測、超聲定位技術(shù)和紅外技術(shù)。對于充油式干式變壓器，除對油中溶解氣體進(jìn)行離線(xiàn)、定期和有效的色譜分析外，主要研究應用在線(xiàn)油中溶解氣體和微水分析技術(shù)。對于干式變壓器的高壓套管，通常采用介質(zhì)損耗因數的數字化在線(xiàn)測量技術(shù)。對于故障較多的有載調壓開(kāi)關(guān)，采用有載故障在線(xiàn)診斷裝置，測量觸點(diǎn)磨損及機械和電氣回路等。除此之外油溫、線(xiàn)匝繞組溫度、負載電流及電壓、冷卻泵、風(fēng)扇運行等參數也在監測之列。 干式變壓器狀態(tài)監測，涉及到的主體部件為：磁路、繞組及固體絕緣、液體絕緣（氣體絕緣）和冷卻系統。擬診斷的故障為：過(guò)熱性故障、放電性故障、過(guò)熱兼放電故障、機械故障和進(jìn)水受潮等。 常用的局部放電監測與診斷，多采用電脈沖信號法和超聲法。對電信號和聲信號聯(lián)合監測取得理想的定量和定位效果，根據視在放電量、分布圖譜和放電源的定位，來(lái)判斷故障。 油中溶解氣體組分含量的分析（DGA），首先依據溶解平衡原理，采用各種不同原理的脫氣方法，如：真空、滲透膜、氣體洗脫等，將油中氣體脫出，再用分離柱進(jìn)行分離，再經(jīng)檢測器檢測（如TCD，FID等），或用各種原理的傳感器對不同組分的氣體進(jìn)行檢測，較后依據國內外通用的組分比值法或多維圖視法，結合電氣試驗和離線(xiàn)定期試驗結果，綜合分析診斷出潛伏性故障。近期還發(fā)展了復合滲透膜、電化學(xué)-燃料電池、紅外檢測等技術(shù)，進(jìn)行油中溶解氣體組分含量的分析。由于DGA分析判斷的準確性已被國內外所認可，該技術(shù)成為各國研究的熱點(diǎn)。目前，國內外已有單組分的、總可燃氣體的、四組分、六組分、七組分的在線(xiàn)監測裝置投運。

3狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)存在的問(wèn)題 狀態(tài)監測、故障診斷技術(shù)雖然有其不可替代的優(yōu)勢，但在目前情況下，尚存在很多不足和問(wèn)題需要解決。已經(jīng)安裝投運了狀態(tài)監測系統的單位，決不可高枕無(wú)憂(yōu)，不再有安全憂(yōu)患意識。 由于發(fā)電機、干式變壓器有復雜的結構系統，運行參數間并非全部有嚴格的邏輯和定量關(guān)系，其故障現象、故障原理之間具有很大的不確定性，一個(gè)故障可表現出多種征兆，監測到的幾個(gè)故障起因同時(shí)反映一個(gè)故障征兆，故障與征兆之間關(guān)系模糊復雜，因此完全通過(guò)建立精確的數學(xué)模型來(lái)診斷是十分困難的。這種復雜的系統都是模糊的系統，而模糊系統的邊界、結構等概念的外延是模糊的，內涵是灰色的。也就是說(shuō)，此系統中的一些信息是確知的，另一些是非確知的，因此，需要采用將精確性向模糊性逼近的模糊集的數學(xué)方法來(lái)處理這些模糊現象，并注入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統，才能對發(fā)電機、干式變壓器故障診斷這一復雜系統，找出合適的描述方法。同時(shí)還要模擬技術(shù)專(zhuān)家在進(jìn)行故障診斷時(shí)的經(jīng)驗及將經(jīng)驗、規則模型化，以計算機替代專(zhuān)家，并以遠程通信方式進(jìn)行傳輸。除此之外，復雜的現場(chǎng)環(huán)境也給狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)的應用帶來(lái)困難。到目前，狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)尚存在以下不足和問(wèn)題： a)受技術(shù)條件限制，目前發(fā)展較成熟的僅有局部放電定位儀和部分組分含量的在線(xiàn)色譜儀，而其他反映設備狀態(tài)的項目尚無(wú)成熟監測。因此，在故障診斷中，很多需采集的信息還必須依賴(lài)于離線(xiàn)檢測。 b)早期故障的監測信號極弱，設備運行現場(chǎng)均有較強的磁場(chǎng)和電場(chǎng)干擾，信噪比很低，給狀態(tài)監測帶來(lái)困難。 c)現有的一些監測系統，只能反映設備故障的發(fā)展趨勢，很難提供設備故障的類(lèi)型及故障的危急程度。滲透膜存在滲透率衰減，軟件不能適應個(gè)案的分析和判定，軟、硬件在不同程度上存在缺陷和不穩定性，易引起誤報、錯報故障。 d)現行規程中沒(méi)有狀態(tài)監測的技術(shù)要求和指標，使故障診斷時(shí)缺乏科學(xué)的判據。 e)現有的監測、診斷系統尚不能完全實(shí)現連續不斷的實(shí)時(shí)監測，所以對突發(fā)性故障不能準確、及時(shí)預報。 綜上所述，發(fā)電機、干式變壓器類(lèi)電氣設備的狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)，可以迅速、連續地反映設備的運行狀態(tài)，預示運行設備存在的潛伏性故障，提出處理措施，不同程度地延長(cháng)設備的服役期，減免不必要的維修干擾，大大降低運行成本，易實(shí)行自動(dòng)化和科學(xué)化設備管理，是保障電力設備安全經(jīng)濟運行的有力措施，應大力推廣。然而，該技術(shù)畢竟為新興的多學(xué)科高新技術(shù)，其發(fā)展和實(shí)施還存在許多困難，距離替代預防性定期檢修還有較長(cháng)歷程。所以，既要積極開(kāi)發(fā)、推廣這一技術(shù)，也要客觀(guān)對待，避免盲從，不斷總結經(jīng)驗，完善系統，使該技術(shù)為電力生產(chǎn)安全服務(wù)。

參考文獻

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來(lái)源：廣東電力